太阳能热水器控制装置.docx
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太阳能热水器控制装置
摘要
随着新世纪人类的发展，节能环保成为了二十一世纪的关键词，能源危机环境污染成为全球性的危机，清洁能源与可再生能源成为人们最关注的主题。
太阳能取之不尽、用之不竭、干净且无污染，因此，积极鼓励太阳能的应用具有非常大的意义。
本文将设计一种适合于家用、高性能的太阳能热水器控制装置，实现多种自动化功能，使用方便、人性化。
该设计绿色环保，符合国内低碳经济，具有可持续发展性。
这一设计将鼓励太阳能热水器更广泛的使用，从而推动低碳能源的利用，环保节能。
本论文在介绍传感器、单片机、时钟芯片的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。
这里根据太阳能热水器对控制器的要求，提出了以ATmeg16单片机为检测控制核心，结合SD2200实时时钟，控制水温水位的定时设定，并利用液晶显示屏实时显示时间、温度、水位等信息，五个按键可以实现对水温和水位的设定。
全文分三大部分。
第一部分包括第一章，描述太阳能的应用意义和前景发展状况，并将太阳能热水器与燃气热水器等做出相应的比较，突出太阳能热水器的优势与更广阔的发展前景。
第二部分包括第二章，描述太阳能系统组成及本设计的相应技术指标和要求。
第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，分别介绍了单片机的结构与要求，温度传感器的特点及应用、水位检测结构的原理，以及显示器的结构等等，都是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。
关键词：
太阳能热水器单片机温度传感器实时时钟
Abstract
Withthedevelopmentofhumanraceduringthenewcentury,energyconservationandenvironmentalprotectionbecomesoneofthemostimportantthingsin21stcentury.Cleanandrenewableenergysourcesaresteppingontothestageofthenewcentury.Asaresult,itwouldbeofgreatsignificancetousesolarenergywhichisbothcleanandinexhaustibleincertainareas.Thispaperproposesadesignofasmartsolarwaterheatercontrollerwhichcouldrealizeseveralkindsofautomaticfunctionstomaketheusemoreconvenientandhumanized.Ibelievethatthisdesignofsmartcontrollerwouldencouragetheuseofsolarwaterheater.
Onthebasisoftheintroductiontothesolarenergy,sensorandSIM,thispapergivesthedetailinformationoftheworkingprincipleofsolarwaterheaterandalsodescribesthedesignscheme.Accordingtothecharacteristicsofthecontrollerandthefunctionofthesolarwaterheater,thecontrollerisbasedonATmega16,SD2200,andLCD,realizingthefunctionofrealtimedisplaytoshowthevalueoftemperatureandwaterlevel.Moreover,userscouldsetthetemperatureandthewaterlevelby6differentbottomsonthecontroller.
Thisarticleisdividedinto3parts.PartOneincludesChapter1introducingtheuseandperspectiveofsolarenergy.PartTwoincludesChapter2and3anddescribesthestructureanduseofsolarwaterheater.Partthree,includingChapter3andChapter4,introducesthedesignofhardwareandsoftwareandthetheoryofthecircuitaswell.Allofthetheoriesabovemakeupofthefoundationofthisdesignofsmartsolarwaterheatercontroller.
KeyWords：
solarwaterheatertemperaturesensorrealclockSCM
第一章绪论
1.1国际太阳能热水器的发展现状
太阳能热利用，以其易于实现而在世界各地得到迅速发展，应用规模越来越大。
在欧洲，过去10年来太阳能热水器的增长率一直保持在18％左右，预计未来十年增长率会达到20%。
欧盟提出到2010年安装1亿平方米太阳能热水器的规划，欧洲太阳能学会预算2020年欧洲太阳能热水器应用高达14亿平方米。
但欧洲的太阳能热水器行业发展与中国有许多不同。
中国的太阳能热水器市场发展很快，总的保有量和年生产能力世界第一。
但主要是以真空管直插式的简易产品为主，工程也以非承压单循环为主。
而欧洲以平板式承压双循环为主，且多以生活热水和采暖相结合的复合系统，很少以单一热水供应为主，并且产业化水平已到了非常高的地步，这是中国太阳能行业望尘莫及的。
在中国有一种普遍的点，真空管热水器是平板热水器的换代产品，将最终全面取代平板热水器。
这种说法过于偏激，应该说在像真空管直插式这种低端产品上，真空管配不锈钢非承压水箱确实比平板热水器具有相当的优势，但在分体式与建筑结合特别是与采暖配套的大型工程应用上，平板还具有相当强的优势。
这类系统还特别适合承压应用，这两种产品在今后很长一段时问内会同时存在，不存在谁替代谁的问题。
当然真空管热水器的增长率会高于平板热水器，但由于平板热水器在世界的普及率很高，在奥地利和荷兰，接近100％的太阳能热水系统是平板，真空管产品在国外市场的普及还需相当长的时问。
中国的太阳能厂家追求全面，主要生产厂家不仅生产水箱、支架还生产真空管，而欧洲生产厂商分工很细、很专业。
生产厂商只专做某一部件，如GREENONETEC专做平板集热器，为欧洲最大的平板集热器制造商，而水箱则由专业的水箱制造商制作。
中国企业追求大而全，想所有的钱自己赚，怕被别人赚钱，国外企业赚自己认为应该赚的钱。
而这种专业化的分工便于各个厂家将产品做细做精，所以欧洲产品的工艺水平是中国产品在短时问内很难达到的。
中国太阳能市场运作主要是以制造商发展经销商，以专卖店形式销售产品。
制造商不仅制造产品还负责市场及品牌运作、工程安装和售后服务。
而欧洲的太阳能市场与中国有很大的区别，他们的运作方式般如下：
制造商负责提供质优价廉的产品；系统集成商负责系统的开发、设计、试验及推广（自己的品牌）及安装公司的人员培训；安装公司（相当于经销商）负责销售、安装及售后服务。
中国太阳能市场运作方式与中国的真空管直插式产品的结构与安装方式有关。
真空管直插式产品结构简单、安装方便，安装工人不需太多的专业知识，经销商自己很容易解决安装及售后服务问题。
这一市场运作方式对中国初期的太阳能市场做了很大贡献。
这样的好处是使营销渠道扁平化，减少中间环节，降低了市场运作成本。
制造商直接面对消费者，面对终端用户，便于掌握市场的变化和需求。
而这一运作方式的弊端在目前已逐渐呈现，限制了先进的热水器系统的应用与推广。
因为即便像清华阳光至尊1+1及力诺的分体式热水中心这种已经简化得不能再简化的热水系统，也需要经销商具有较高的专业安装技能及售后服务能力。
如果再与建筑及采暖结合，则更不可能是一个普通经销商所能完成的。
而生产企业自己到全国各地去安装及售后服务则更不现实。
这就最终导致先进但比较复杂的热水系统很难得到推广普及[1]。
中国的太阳能产品开发主要由各个制造厂的技术部负责，各自为政，包括工程系统应用也是如此。
由于各个厂所能聘用的专业研发人员数量和质量有限，导致了中国太阳能的利用从“殷自强”发明真空管以后这么多年再也没有大的突破。
中国以前也有一些国营的太阳能研究所，但大多由于体制问题及研发向与市场严重脱节而解体或即将解体。
而欧洲主要由一些专业的系统集成商及工程设计公司进行新产品的研发、系统的设计以及与建筑及其他系统的结合，由他们提出设计要求，由生产厂家制作完成，制造商只负责工艺及产品的完善，这样就便于整合整个国家甚至欧洲的技术优势进行产品及系统的开发。
1.2中国太阳能热水器行业的发展概况
中国的太阳能热水器行业是名副其实的本土行业，是国内为数不多的拥有自主知识产权的产业之一。
从产生到技术研发，到市场培育没有任何外力介入，完全由国内需求拉动而成。
国内最早的太阳能热水器产生于二十世纪五、六十年代，当时的太阳能热水器是闷晒式，简单朴实，七、八十年代发展为平板式及直管式。
到了二十世纪九十年代，清华阳光的殷志强教授发明真空玻璃管技术，并推广使用，中国的太阳能热水器从此进入真空管时代。
从最初的大锤加榔头的制造手段，发展到现在的部分自动化，所有涉及这一领域和产品的发展，都是依靠企业的推广和科研院所教授的执著追求，造就了我国太阳能产业的规模化扩张。
中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。
中国的太阳能热水器市场经过几年的培育，已经步入快速发展期。
2009年太阳能热水器“下乡”是太阳能热水器行业的一件大事，标志着太阳能热水器得到国家认可，我国太阳能热水器行业已迈入新的时代。
太阳能热水器“下乡”正式开标意味着太阳能热水器行业得到了政策支持，太阳能热水器“下乡”如一缕春风，使整个行业焕发强大的生命力。
农村市场是太阳能热水器的主要销售市场，太阳能热水器的销售70%在农村，而随着新农村建设的推进，使用环保、洁净能源意识的推广，太阳能热水器在农村仍有广阔的空间。
城市市场中，随着寿命到期热水器产品更新浪潮的到来，节能环保意识的深入，城市的太阳能热水器潜在消费量将逐步显现。
未来5-10年中国太阳能热水器市场保有量仍将保持20%-30%的增长率。
目前中国太阳能热水器行业缺乏统一的行业标准，行业门槛较低，产品整体技术含量低，生产厂家多达5000余家，鱼目混杂。
整个行业处于“行业大、企业小，数量多、规模小”的尴尬格局。
行业内的一些二线牌子因为没有核心竞争力，产品高度同质化，只能靠低价格来谋取生存空间，在管理水平、生产规模都有限的情况下低价格只能靠低成本甚至“拼装”来获取，如此的低成本势必导致低质量。
太阳能热水器国家标准正陆续出台，行业开始洗牌，品牌集中是趋势。
行业集中度会进一步提高，而技术的升级、安全性能的提升、产品的创新将是企业发展的方向。
我国能源发展工作正处在关键的历史时期，太阳能利用技术是可再生资源领域推广应用最普遍技术之一，太阳能是新能源，清洁、无限、安全，太阳能热水器应用最为广泛。
近年来，我国国内的太阳能热水器市场开始进入快速增长期，以每年20%-30%的速度递增，太阳能光热应用面积已占到全球的76%，是整个欧美地区的4倍之多。
国外各个国家对太阳能新能源的利用也非常重视，现在欧洲、美国和日本等先进国家也积极推进太阳能应用技术。
目前我国大多数太阳能热水器使用方便，节能，但功能单一，操作较复杂，控制起来不能达到理想效果，只有温度、水位、时间的显示功能，而对其控制的智能化水平不高。
即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。
鉴于此，为了使使用者可以根据自己的需求将水温、水位调节到所需值，而且通过显示屏可知道实时水温、时间、水位，特对太阳能热水器控制器进行研究。
1.3太阳能热水器的应用及其意义
随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。
众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。
有人预测：
二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。
但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。
因而尚未被人们大规模的使用。
在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。
随着人们环保意识的不断加强，越来越多的消费者倾向于选择太阳能热水器，但很多人对使用这种产品又不是很了解。
在这里，我们将太阳能热水器、电热水器和燃气热水器的性能作一个粗略的比较。
1、热水产量方面
燃气热水器有5L、7L、8L等不同的型号，是指在1分钟内将水温升高25℃时所产的热水量，如果自来水的温度为25℃，则每分钟可产50℃的热水5升、7L或8L。
电热水器的标注则是30L、60L、90L等等，这是指电热水器的容水量，相当于我们在电炉子上加一个水壶，这个水壶的盛水量是30L、60L、90L。
拿一个8L的燃气热水器与一个40L的电热水器相比较，8L的燃气热水器可连续不断地产生每分钟8L的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。
如果这一罐水用完，还要等半小时左右。
太阳能热水器按照年平均气温15.7℃、年日照时数2014小时、太阳总辐射总量年均为111.59kcal／㎡计算，如果集热面积为2㎡，年吸收太阳辐射能量为9.37×106kJ，按把水温升高35℃计算（基础水温10℃），全年可提供生活用热水（45℃）53.5t，每人每次洗澡用热水约需50kg，则全年可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次。
2、加热速度方面
目前生产的燃气热水器大多为快速热水器，不论什么时候，只要想用热水，打开燃气阀和水龙头，热水就会流出来。
而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用。
太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在六至八层。
3、温度稳定性方面
燃气热水器由于是快速加热，并有调整温度装置，只要在使用开始时调到人体感觉舒适的温度，而后就会一直保持在这一温度恒定地供应热水。
电热水器在使用时需要另外接一根冷水管兑入冷水，当罐内水不断流出，冷水不断加入时，水温就会逐渐下降，直到全部是冷水。
所以在使用时，需要不停地去调整冷热水的比例。
太阳能热水器使用起来暂时还不大方便，要上水，且不能保证时时有热水。
4、功率方面
燃气热水器的功率要比电热水器大很多，拿一个8L的燃气热水器和40L的电热水器相比较，8L燃气热水器的功率相当于16~17kW，而40L的电热水器一般为3kW，这也是为什么燃气热水器可连续供应热水的缘故。
那么，电热水器是否也可做成16kW的呢？
这是不可能的，因为家用电表、电线都无法承受。
5、价格方面
8L的燃气热水器价格一般在800元以上，再加上安装费，大约在1000元以上，有的甚至接近2000元。
电热水器现在都在500元以上，加上安装费用，一般不到1000元。
太阳能热水器的价格都在3000元以上。
使用费用方面，目前天然气每立方米为1.7元，每度电为0.44元，而太阳能热水器仅耗水费。
6、安全性方面
燃气热水器的优点是加热快、出水量大、温度稳定、结水垢少、占地小、不受水量控制。
缺点是使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗，通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故，但如果能正确地了解这一点，使用时注意，也是很安全的；另外，燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法起动；安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。
电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水；使用时不产生废气，所以从这一点上讲是既安全又卫生，目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。
缺点是体积大、占用室内空间大、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了产品容易结垢的问题，但阳极镁棒须两年更换一次，给保养带来了麻烦。
太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。
缺点是安装复杂，安装不当会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌；因要安装在室外，维护较麻烦。
1.4论文的主要工作
本文介绍的太阳能热水器以微控制器ATmega16单片机控制中心，选用SD2200作为时钟芯片。
并采用两个DS18B20温度传感器串行，实现对水温的测量。
同时，采用LCM12864ZK液晶显示屏实现显示温度水位信息，利用按键电路设定水温水位值，并可设定加热上水时间。
本设计还添加了辅助热源，在阴雨天太阳能不足的情况下，单片机开启热源，对水进行加热，方便用户的使用。
同时设定各种报警功能，包括水满报警，缺水报警，加热完成时报警等功能。
令产品的使用安全，放心。
第二章太阳能热水器的结构及工作原理
2.1太阳能热水器综述
图2-1为智能太阳能热水器的整体系统结构图。
图中，太阳能集热器用来收集太阳能对水进行加热，并输进热水箱供浴室的正常使用。
水量不够时，辅助水箱补充太阳能集热器的水源。
太阳能集热器中装有温度传感器1，此装置用来感应太阳能集热器中水的温度，从而判定太阳能是否充足。
热水箱具有保温功能，其中装有温度传感器2和水位传感器，分别用来检测箱内的温度和水位，并在控制器显示屏上显示，便于用户根据情况设定温度和水位。
图2-1太阳能热水器结构图
如图2-1太阳能热水器结构图所示，当温度传感器1检测的温度过低，表示太阳能不充足。
此时，系统将启动辅助热源，通过热源泵，将辅助水箱中的水加热并输入热水箱，此功能可以让热水器在阴雨天也可以继续使用，不影响日常生活。
这种智能太阳能热水器不仅使用方便、人性化，而且能有效地节约能量，减少污染。
是符合现代环保理念的绿色低碳智能系统，应该积极的普及。
2.2太阳能热水器智能控制装置的主要功能
本设计要求设计出一个智能化的太阳能热水器控制装置，需具有时间显示功能、定时上水加热功能，用户可以实时查看温度水位状态，并自由设定温度水位。
实现一种方便的，人性化的控制方式。
具体功能如下：
1、北京时间：
实时显示北京时间。
2、水位预置：
可预置加水水位50、80、100%
3、水温预置：
可预置加热温度范围：
30℃~80℃，若不需要启动电加热，可预置为00℃。
4、水温指示：
显示太阳能热水器内部实际水温。
5、水位指示：
显示太阳能热水器内部所存水量。
6、缺水提示：
当水位从高变低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，同时20%水位闪烁。
7、缺水上水：
当水位从高变低，出现缺水状态时，延时30分钟自动上水至预置水位。
8、温控上水：
当水箱水未加满，水温高于用户设定的温控上水温度（原厂设制为60℃）自动补水至低于温控温度10℃的合水温，此功能可防止出现低水量、高水温的不合理现象。
当正在用水（水位发生变化）时，则延时60分钟启动，以避名用户正在用水时启动上水。
具备温控功能的时间：
8:
00~17:
50。
9、手动控制：
可手动启动上水，加热，在操作时首先显示预置的水位或水温，用户可利用“＜”和“＞”键调整参数，确认后，测控仪蜂鸣提示启动上水、加热，也可手动关闭。
启动加热时若低于50%水位，则先启动上水再加热，并将水位加至80%。
正在加热时水位低于50%水位自动关闭加热，保护电加热管。
10、全天候模式：
可按用户个人需要，全天24小时内，可分别设定早、中、晚三次定时上水及三次定时加热，并且可分别设定每次定时上水的水位和定时加热的温度。
原厂设置为第一次早晨3：
00启动上水至50%水位，4：
00启动加热至50℃，提供用户早上起床后的洗喇用水，第二次9：
00启动上水至水满，中午不加热，以便尽量利用太阳能光能量提供加热，第三次15：
00启动上水至100%水位，16：
00启动上水至50℃给用户晚上提供大量热水随心所浴（若利用太阳能已达到50℃不启动加热节约电能）。
用户自行设定定时，建议将定时上水的时间提前定时加热的时间1小时以上，以便先上水再加热，建议加热温度不超过60℃以免烫伤并节约电能。
若需取消全能候模式，持续按住加热键，则取消定时加热。
持续按住上水键，则取消定时上水，同时自动启动温控上水模式（因自动上水是必需的）。
反之操作可分另恢复全天候模式中的定时上水和定时加热，全天候图标对应显示。
11、防辅助热源起火：
在启动管道保温功能厅，测控议在辅助热源加热管道温度平衡后（通电约10分钟），自动关闭，等管道温度下降后，在次按用户自行设定的延时时间（原厂设置30分钟，若设置为0分钟，则电热带长期通电）启动电热带，过程自动重复动行，可避免长期通电电热带，节约电能，并有效防止因长期通电造成电热带老化起火等恶性事故。
12、自动防溢流：
因真空管破裂或水位传感器故障等原因造成溢流，自动停止上水。
13、断电显示：
当停电时，测控议保留用户预置的所有参数，同时继续显示水温水位及北京时间，断电时测控议将按键自动锁死，以防误操作。
当来电时能按以前设定的工作模式及功能继续动行。
14、恒温加热：
水箱水温低于预置温度5℃，立即启动加热至恒温水温，保证水箱水温恒定。
若水位低于50%，先立即自动启动上水，再启动加热，以免干烧。
因此水位不能低于50%建议采用上下水双管安装，以便不影响用户持续大量用水。
15、强制上水：
水位传感器出现故障后，可按上水键，实现强制上水，每分钟会出现蜂鸣提示，注意有无溢水，8分钟后自动关闭上水。
16、低水压上水：
在上水过程中，水压过低或停水，控制器会自动进入低水压模式，在此上水模式中，控制器会间隔30分钟启动上水，若30分钟仍不能使水位上升一档，则停止30分钟，然后再启动上水，反复循环运行，以避免在低水压或停水时发生以下严重后果：
（1）电磁阀、水泵长期通电运行，造成水泵空转烧毁；
（2）由于太阳能真空管破裂或其它原因漏水，造成不断上水而水箱、屋顶长期流水；（3）停水后，突然来水，由于空晒，太阳能水箱温度过高，而造成炸管。
17、管道循环：
可设置水泵循环时间1~30分钟（原厂设置为3分钟）。
实现一开出热水增压效果。
18、管道保温：
冬天室外气温较低时，可按（管道保温）键，启动电热带，防止水管冻裂，再按（管道保温）键，则关闭电热带。
19、自动增压：
在供水压较低时，可选择上水增压功能，在上水时，控制器打开电磁阀同步启动水泵加压供水，水上满后，两者同时关闭。
2.3太阳能热水器智能控制器的主要技术指标
2.3.1温度检测
本设计要求的测温精度：
±2℃；
测温范围：
0~99℃；
控温精度：
±2℃；
动作时间：
30s。
2.3.2水位检测
水位分档：
五档，分别为20%、40%、60%、80%、100%；
水位报警：
当水位从
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